有机肥施肥机的标校

吴　宁，吴德胜，李　辉，梁　浩

(中国农业机械化科学研究院，北京　100083)



有机肥施肥机的标校

吴宁，吴德胜，李辉，梁浩

(中国农业机械化科学研究院，北京100083)

摘要：由于畜牧业的迅速发展，畜禽粪便的产出量急剧增大。畜禽粪便是一种优质的有机肥源，有机肥还田不但提供了农作物生长需要的养分，还可以改善农业生态环境，降低粮食生产成本。因此，研制适合中国国情的有机肥施肥机具有重要的现实意义和应用推广价值。目前，我国对有机肥施肥机的研究才刚刚起步，本文以中机华丰(北京)科技有限公司研制的有机肥施肥机为研究对象，主要研究了有机肥施肥机的标校，包括施肥均匀度的测定与校验、工作幅宽的测定与校验以及部分试验结果，验证并回答了施肥过程中常遇到的几个问题。

关键词：有机肥施肥机；均匀度；工作幅宽；标校

0引言

近年来，由于畜牧场的兴建及生产集约化、规模化、商品化程度的提高，我国畜牧业发展迅速，使得畜禽粪便的产出量急剧增大，因未及时处理利用，导致环境污染问题和资源化、科学化利用问题日益凸显[1-2]，成为阻碍养殖业持续稳定发展的重要因素。然而，对于农业生产来说，无论过去、现在和将来，畜禽粪便都是一种优质的有机肥源[3-4]，经过堆肥发酵后，既可将粉状有机肥的形式直接用于农业生产，也可加工成不同形状的粒状有机肥使用。试验和研究表明：有机肥不但提供了农作物生长需要的营养元素，而且可增加土壤中有机物的含量、改善了土壤的团粒结构、增强土壤通风和蓄水能力，并起到增加土壤肥力、促进作物生长的作用；另外，有机肥的还田利用还可以改善农业大气环境、水环境和生物环境，减少了化肥的使用，降低粮食生产成本，是保持农业生态平衡，实现农业可持续发展战略的重要内容。因此，必须最大程度地利用畜禽粪便中的营养物，更好地为农业生产服务。目前，我国大部分地区的有机肥撒施还主要依靠人力，由于有机肥的撒施量大，人工撒施不但劳动强度大、工作环境差，而且撒施也不均匀。因此，研制适合中国国情的有机肥施肥机具有重要的现实意义和应用推广价值。

1固体有机肥施肥机的研究现状

欧美发达国家对施肥机的机理研究起步较早。早在1962年，Patterson and Reece就对肥料颗粒在圆盘上的运动开始研究，成为当今圆盘式施肥机的数学理论模型的基础[5-6]。1996年，R.Olieslagers，H.Ramon and J.De Baerdemaeker通过施肥机模型对肥料类型进行研究[7]。2001年，J.P.Fulton等对田间变量施肥机进行田间性能评测和撒施试验，提出了将收集盒子按矩阵方式摆放进行田间测试的方法，并对美国农业工程师学会的S341.2的测试标准进行了修改[8]。2004年，Edward Dintwa等人提出了运用离散元法对单独颗粒在施肥机旋转圆盘模型上的运动轨迹进行模拟，将得到的运动过程和计算出的结果与实际撒施试验相比较[9]。上述试验研究，为国外高性能的施肥机的快速发展提供了技术支持和理论依据。目前，欧美等发达国家已开发出多种自动化程度很高且性能可靠的有机肥施肥机，如图1所示。

图1　PICHON公司 M12立螺旋有机肥施肥机

国内对有机肥施肥机的研究刚刚起步。针对我国农业和畜牧业的发展现状，以及多年从事饲养设备和有机肥加工设备对畜禽粪便和有机肥特性的了解，中机华丰(北京)科技有限公司于2013年研发了系列立螺旋有机肥施肥机，并于2014年成功完成了各项性能指标测试和生产考核。该机具有结构简单、机体质量小、撒施宽度大及生产效率高等优点，如图2所示。

图2　2F系列施肥机

鉴于有机肥施肥机的研究现状，结合研制和应用中出现的问题，为了保证所需的施肥量和撒施均匀性，施肥机是需要定期标校的。根据设备的使用情况提出以下几个问题：

①施肥量的变异系数在施肥机横向还是前进方向上更大？②施肥机保持一定的均匀度时，有效幅宽为多少？③较窄的工作幅宽提高了整个大田的平均施肥量。那么较窄的幅宽提高了还是降低了施肥的均匀度？

2有机肥施肥机的标校

2.1　研究对象

本文以2F系列有机肥施肥机为试验对象(技术参数见表1)，其主要由底盘、肥箱、液压驱动系统、输送装置及垂直抛撒装置等部件组成[10]；利用拖拉机作为行走和抛撒动力源，可一次性将5、8、10 m3动物粪便或有机肥料均匀抛撒在农田，结构如图3所示。

表1　2F系列有机肥施肥机技术参数

1.底盘　2.液压驱动系统　3.抛撒保护装置　4.垂直抛撒装置

最普通的有机肥施肥量的标定方法是在一定面积的区域撒施一定量的有机肥，有机肥的质量除以其撒施的面积。这需要假设撒施的有机肥质量是已知的或容易预估的。如果肥料总量无法获得，可以通过施肥机中有机肥的体积(m3)乘以有机肥的密度(kg/m3)得到施肥机中有机肥的近似质量。

2.2　撒肥均匀度的测定

计算大区域内的施肥量，并不表明每个作物个体都能获得足够养分。因此，必须要测定工作幅宽之间特定区域的均匀度。对于土壤中含有足够的磷和钾或一些对于氮的含量反馈不是很显著的作物，只从环保角度来看，撒施均匀度是比较重要的。然而，磷和钾含量对于作物产量有影响或需要足够氮水平的谷类作物，均匀度对于任何肥料都是非常重要的。

有机肥施肥机按使用说明书规定的要求操作，试验使用肥料的物理特性应按表2确定，试验用的肥料在试验前应尽可能少进行处理，经过施肥机使用过的肥料不能重复使用。如果要使用两种类别的肥料，肥料密度应至少相差75kg/m3，且应尽可能选择类别不接近的肥料。

装载时，肥料应均匀填加，然后人工平整，但不应人为进行压实。如果使用带铲斗的装载机，铲斗的宽度不应超过机体长度的1/2，铲斗应在一定高度上倾卸排空，这一高度不应超过机体高度1m。

表2　肥料特性

测定撒肥均匀度，需要用到塑料布、桶、磅秤及盒尺等。收集有机肥用的塑料布在横向上以相同距离铺在地面上，其长度方向与施肥机行进方向平行。通过塑料布上的有机肥质量可以计算施肥机在横向上撒肥量的变异系数。

塑料布的大小应一致(如300mm×600mm)。制作一张记录塑料桶重的表格，包含空桶和塑料布的质量。通过几个表中记录的皮重，来找到平均容器质量，或是将某个皮重近似的作为每个表中的容器质量。

接下来，将塑料布在施肥机横向上以相同的间隔放置。塑料布的数量将随施肥机抛撒的距离和塑料布之间的间隔距离不同而变化，一般会用到8~13个这样的塑料布上。农田常见的布局是：塑料布间隔750mm，施肥机可抛撒的最大宽度距行驶中心线可达5m，如图4所示。

图4　常见的收集箱布局模式

对于较宽的施肥机，可能需要在两车轮之间放置两个收集布，而较窄的施肥机，可能只需在两车轮间放置一个收集布。当以某一间距放置，导致一个收集布正好落在车辙上，可以省略这个收集布，用其两侧收集区域的平均质量近似的代替。

撒肥行驶方向应尽可能地与盛行风向平行，塑料布应垂直于施肥机行驶方向放置。风速应不高于8km/h。施肥机经过后，从左向右横向收集塑料布，分别称重并记录。检查单个收集布中厩肥的质量范围，边缘收集布中所含物料少于中间收集布所含物料50%的数据视为无效数据。通过数据整理，按以下方法计算变异系数，以此测定撒肥均匀度。

样本标准差为

式中Xi—样本质量的测量值；

n—样本数量；

S—样本标准差。

样本变异系数为

式中CV—样本变异系数(%)。

有机肥施肥机单行模式时的均匀度主要由施肥机结构决定。通过试验数据处理，发现撒施的有机肥主要集中在2~6m之间的区域，边缘撒肥量相对于中间减半的位置约位于2m和6m附近，如图5所示。

图5　有机肥施肥机典型单行模式

2.3　工作幅宽的测定

测定工作幅宽时需要用到肥料收集箱，收集箱外部尺寸为300mm×300mm，高度不超过100mm。肥料收集箱的放置应保证其边缘与地面平行，以使肥料收集箱垂直于有机肥施肥机的行驶路线并覆盖总的工作幅宽，第一个收集箱和最后一个收集箱的边缘与中心线重合，如图6所示[11]。

由施肥机的单行试验可知，撒肥量相对于中间减半的位置位于2m和6m附近，这两点的距离约为3.9m，以此作为工作幅宽的起点，工作幅宽以300mm递增(即肥料收集箱的宽度)。

施肥机经过后，用收集箱收集物料，分别称重并记录。根据2.2中计算样本变异系数的方法，计算出不同工作幅宽时的样本变异系数。在一定的撒肥量范围内，变异系数最小时，对应的幅宽即为最佳工作幅宽。

已知样本质量，无需进一步分析，即可得到幅宽间相对应的施肥量。幅宽间每个位置的实际施肥量为

A=(1×107·M)/(L·W·n)

其中，A为施肥量(t/hm2)；M为厩肥样本总质量(kg)；L、W为塑料布的长度和宽度(mm)；n为幅宽间收集箱的数量。

例如，如果13个300mm×300mm的收集箱中厩肥的质量为1kg，则施肥量为

如果施肥量或抛撒效果是不合格的，那么工作幅宽、行进速度或刮板输送速度可能需要测试。减小幅宽和行进速度，或提高刮板速度可以提高施肥量。所有收集箱的平均施肥量可以决定大田的平均施肥量，这个平均施肥量可以近似地当作整个大田的施肥量，但不能获得大田中植株与植株间的施肥差异。

为了提高均匀性，可以通过调整幅宽间隔，使其等于在幅宽方向上最大施肥量减半时两位置的距离，以此提高均匀度。如果撒施速率太高或太低，在改变工作幅宽之前，可以首先通过刮板输送速度、螺旋转速或施肥机行驶速度来补偿施肥率。

1.肥料收集箱　2.行驶方向　3.行驶方向

3施肥机的撒肥效果

试验粪肥是已经在外面堆放了几个月的牛粪有机肥半成品，含水量在50%左右(湿基)。由于施肥机在横向上幅宽之间会有重叠，通过试验数据分析发现，施肥量在横向上比施肥机行进方向上的变化量(变异系数)大。

试验结果是由4个垂直螺旋和水平圆盘组成的施肥机得出的。单行模式的撒肥分布明显的集中在所经过的中心区域，以轴距2m的距离向两侧延展(见图5)，该区域以外的分布率明显下降。肥料分布的峰值在单向施肥机的中心线附近，固施肥机行驶速度或刮板链条速度的不同，撒肥量在25 ~50t/hm2间变化。

不同的幅宽重叠改变了总体的平均施肥量及横向的撒肥均匀度。施肥机的均匀性通常以变异系数(CV)作为统计指标。CV越低表明撒肥量变化少，均匀度更好。图7和图8分别表示了施肥机不同幅宽间隔时对应的总体施肥量和变异系数。窄的重叠量提高了均匀性，但也增加了施肥量。对于该类型施肥机应用4m的幅宽时，提高了撒肥均匀性(变异系数减至32%)且并没有极大提高施肥量(37t/hm2)。

图7　施肥机不同幅宽时的撒肥量

图8　施肥机不同幅宽时的变异系数

4结论

1)由于施肥机在横向幅宽之间会有重叠，撒肥量在横向上变异系数更大，除非幅宽间准确重叠。

2)施肥机有效幅宽由两侧边缘撒肥量相对于中间减半的距离开始，由于物料含水率的不同，有效幅宽主要集中在4~5m之间。

3)施肥机不同的幅宽间隔影响施肥量和撒肥均匀度。通常，窄的幅宽间隔会提高撒肥均匀度，但同时提高了总体的施肥量。

参考文献：

[1]董克虞. 畜禽粪便对环境的污染及资源化途径[J].农业环境保护，1998，17(6)：281-283.

[2]刘书楷. 从资源经济学原理论废弃物资源化问题[J].农业环境保护，1991，10(3)：97-100.

[3]贾晓葵. 有机废弃物的农业利用[J].农业环境保护，1991，10(2)：94-96.

[4]刘心爱. 集约化畜禽场的环境污染治理[J].农业环境与发展，1997，14(4)：8-10，27.

[5]Patterson D E，Reece A R. Theory of the centrifugal distributor. I: Montion on the disc，near-centre feed[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1962,7(3)：232-240.

[6]Inns F M，Reece A R.Theory of the centrifugal distributor. II: Montion on the disc，off-centre feed[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1962,7(4)：345-353.

[7]R Olieslagers，H Ramon，J De Baerdemaeker. Calculation of Fertilizer Distribution Patterns from a Spinning Disc Spreader by means of a Simulation Model[J].agric.Engng Res，1996,63：137-152.

[8]J P Fulton，S A Shearer，T S Stombaugh.Pattern Assessment of a Spinner Disc Variable-Rate Fertilizer Applicator[C]//Sacramento Convention Center，Sacramento，California，2001.

[9]Edward Dintwa，Paul Van Liedederke，Robert Olierlagers.Model for Simulation of Particle Flow on a Centrifugal Fertilizer Spreader[J].Biosystems Engineering，2004，87(4):407-415.

[10]吴德胜. Manure Spreaders[C]//全国第五期生物堆肥技术与工程培训班发言，2009.

[11]中华人民共和国国家标准. GB/T 25401-2010. 农业机械 厩肥施肥机环保要求和试验方法[S].

Calibration of Manure Spreaders

Wu Ning, Wu Desheng, Li Hui, Liang Hao

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science, Beijing 100083,China)

Abstract：With the rapid development of livestock breeding industry, the output of livestock and poultry increases sharply. And livestock and poultry manure is a kind of high quality organic fertilizer. The organic manure returning to field not only provides the nutrition factor for crop growth, but also can improve the agricultural ecological environment and reduce the cost of food production. Therefore, it has important realistic significance and application value for the development of solid manure spreader which is suited to China’s national conditions. At present, the research on manure spreader in China has just started. This paper uses the solid manure spreader which is developed by MAE Wellful Industries Co., Ltd as the research object. Mainly studies the manure spreader calibration, including spreader uniformity measurement and calibration, swath width determination and verification as well as part of the test results. Verify and answer a few problems often encountered in the process of spreading.

Key words：manure spreaders； uniformity； swath width； calibration

中图分类号：S224.21

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0255-05

作者简介：吴宁(1990-),男，山东滨州人，硕士研究生，(E-mail)wncaams@sina.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201303014)

收稿日期：2015-09-05